12.3.3. Анализ поверхности электронным пучком.

Методы анализа поверхности, использующие электронные пучки, делятся на методы дифракции медленных электронов (ДМЭ) и отраженных быстрых электронов (ДОБЭ). Теория дифракции электронов строилась в те же годы, что и теория рентгеноструктурного анализа, и по аналогии с Тео-рией дифракции рентгеновских лучей, однако их физическая природа различна.

В соответствии с квантово-механической теорией, движение электро-на массы т и импульса p = mv (v – скорость электрона) описывается плоской монохроматической волной де Бройля: λ = h/p = h/(mv), где h – постоянная Планка. В ускоряющем электрическом поле приобретенная энергия qU = mv²/2, где U – постоянная разность потенциалов. Подставляя в уравне-ние для волны де Бройля, имеем

. (12.3.8)

Релятивистская поправка на изменение массы существенна при U  > 10⁵ В. Под медленными электронами будем понимать электроны, энергии которых лежат в пределах сотой эВ, а значение λ, того же порядка, что и у рентгеновского излучения. Электроны с энергией в десятки кэВ соответствуют длине волны γ-излучения. Такие электроны называют быст-рыми. В табл. 12.1 приведены значения λ для различных U.

Таблица 12.1

U, B	1	50	102	103	6·104	105	106
λ, нм	1,226	0,174	0,12	0,04	0,0045	0,0037	0,0004

Заметим, что при напряжении 100 ÷ 150 В соответствующий размер длины волны порядка размера атомов или межатомных расстояний.

Такие медленные электроны использовали в свое время К. Дэвиссон и Л. Джермер при исследовании дифракции электронов на гранях монокрис-талла.

В отличие от рентгеновских лучей, которые рассеиваются на электронной плотности атомов, рассеивание электронов определяется их взаимодействием с электрическими полями атомов. Эти поля создаются как положительно заряженными ядрами, так и электронными оболочками ато-мов, поэтому рассеивание электронов зависит от атомного строения вещест-ва. У различных химических элементов рассеивание электронов различно.

Амплитуда атомного рассеивания электронов f_э(θ) пропорциональна атомному номеру элемента Z и определяется как

, (12.3.9)

где константа см ^-1 , f_p – атомная амплитуда рассеивания рентгеновских лучей. С ростом θ – угла, под которым наблюдается дифрак-ционный максимум, значения f_э(θ) падает: f_э(θ) ~ (sinθ)^-2.

Атомная амплитуда рассеивания пучка определяется как . Элект-роны взаимодействуют с атомами на три порядка сильнее, чем рентгеновское излучение, и поэтому амплитуда рассеивания электронов более чем на три порядка превышает амплитуду рассеивания рентгеновских лучей.

Метод дифракции медленных электронов (ДМЭ). Метод ДМЭ основан на дифракции электронов до сотен эВ и предназначен для иссле-дования структуры поверхностных слоев монокристаллов.

Т олщина исследуемого слоя определяется глубиной проникновения электронов в кристалл без потери энергии. Исследование образцов методом ДМЭ можно проводить в вакуумной камере, представленной на рис. 12.3.11.

П учок электронов направляется на мишень и дифрагирует на поверхности кристалла. Электронные лучи, рассеянные обратно в вакуум, движутся в пространстве между кристаллом и сеткой G₁ . На сетках G₂ и G₃, общий центр которых находится на поверхности образца, подаются электри-ческие потенциалы, которые способны задержать неупруго рассеянные на образце электроны и ускорить упруго рассеянные электроны, направив их на флуоресцентный экран. Две сетки позволяют компенсировать шумы устрой-ства как анализатора энергий электронов. Падающий пучок электронов фокусируется в пятно диаметром 0,1 ÷ 1,0 мм, ток в нем не более 2 мкА.

Дифракционная картина регистрируется на люминесцентном экране и характеризуется большим количеством максимумов, положение которых определяется условием рассеяния на двумерных структурах. На рис. 12.3.12 приведены типичные ДМЭ-картины. Рис. 12.3.12,а типичен для большинства низкоиндексных металлических поверхностей. Имеются только пятна от неискаженной объемной плотности кристаллографической плоскости (100). Энергия первичного пучка составляет 150 эВ.

На рис. 1.2.3.12,б представлена чистая поверхность полупроводника Si (111). Между основными рефлексами в виде ярких пятен наблюдаются дополнительные рефлексы. Они соответствуют поверхностной ячейке, параллельной ячейке подложки, имеющей длину в 7 раз большую. Именно поэтому картина называется Si(lll) (7 X 7) или Si(l11)7. В этом случае энергия пучка электронов составляет 42 эВ.

Если на поверхности металла абсорбируется кислород, то картина представляет собой структуру, представленную на рис. 12.3.12,в. Помимо ярких рефлексов основного материала подложки (W(ll0)), имеются рефлексы адсорбированного кислорода. В этом случае энергия пучка составляет 53 эВ. Симметрия картины ДМЭ отражает симметрию расположения атомов в поверхностном слое. В то же время интенсивности максимумов содержат информацию о межатомном взаимодействии.

В методе ДМЭ измеряют угол распределения максимумов, зависи-мость распределения от начальной энергии электронов, производят изме-рения интенсивности максимумов в зависимости от температуры или наличия на поверхности адсорбируемых атомов. Это позволяет провести анализ дифракционной картины и установить истинную структуру приповерхностного слоя образца. Используя ДМЭ для анализа нанострук-турных материалов в виде пленок на поверхности кристаллов, можно изучать межатомные взаимодействия в адсорбированных монослоях.

Метод дифракции отраженных быстрых электронов (ДОБЭ). Метод дифракции отраженных быстрых электронов основан на исследовании дифракции пучка быстрых электронов, падающих под скользящим углом на поверхность.

Получившаяся дифракционная картина будет служить характерис-тикой конкретного расположения атомов на поверхности.

О бычно используют потоки электронов с энергией Е ~ 100 кэВ, что соответствует длине волны излучения λ ~ 0,0037 нм. ДОБЭ-картина обычно состоит из длинных узких полос, перпендикулярных к краю тени, создавае-мой образцом. Полосы располагаются на расстоянии t друг от друга (рис. 12.3.13).

Если расстояние между флуоресцентным экраном и образцом кристалла равно L (длина камеры), то t = L·tg θ, а из закона Брэгга для решетки с параметром а следует

(12.3.10)

где h, k, l  – индексы Миллера. Ввиду того, что λ << а, величина θ мала, и уравнение примет вид

(12.3.11)

Все параметры можно измерить либо вычислить. Метод ДОБЭ можно эффективно использовать для наблюдения дифракционных картин в ходе осаждения материалов на поверхность именно потому, что эксперименты проводятся при скользящем падении электронов.